Способы снижения плотности образования капель на поверхности тонких пленок при импульсном лазерном напылении: обзор
О.В. Девицкий1,2
1 ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН»
2 ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.631
Обзор
Аннотация: В настоящем обзоре описываются способы снижения плотности капель на поверхности тонких пленок при импульсном лазерном напылении. Показано, что метод импульсного лазерного напыления является перспективным методом для получения тонких пленок множества разнообразных материалов, а основным фактором препятствующим его промышленному применению является образование капель на поверхности тонких пленок. Описаны основные причины образования капель, а также дана классификация способов снижения плотности капель на поверхности тонких пленок при импульсном лазерном напылении. Полностью устранить капли безснижения качества и изменения стехиометрического состава тонких пленок чрезвычайно сложно и на данный момент никому из исследователей не удавалось. Самым эффективным способом снижения плотности капель является оптимизация параметров импульсного лазерного напыления для определенных групп материалов. Использование сегментированной мишени из кристаллических материалов, её вращение с определенной скоростью и использование эксимерных лазеров при значениях плотности энергии лазерного излучения несколько большей, чем величинапорога абляции способствует снижению плотности капель на поверхности тонких пленок до 103см-2. Наибольшее влияние на образования капель оказывают физико-химические процессы на поверхности мишени. Наиболее эффективным активным способом снижения плотность капель вплоть до 2⋅103 см-2 является скоростная фильтрация.
Ключевые слова: импульсное лазерное напыление, тонкие пленки, плотность капель, скоростная фильтрация, сегментированная мишень, двухимпульсное лазерное напыление, плотность энергии лазерного излучения
- Девицкий Олег Васильевич – к.т.н., ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии полупроводниковых наногетероструктур для СВЧ-электроники и фотоники, ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН», доцент кафедры физической химии ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»
Ссылка на статью:
Девицкий, О.В. Способы снижения плотности образования капель на поверхности тонких пленок при импульсном лазерном напылении: обзор / О.В. Девицкий // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 631-642. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.631.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Dikovska, A. Picosecond Pulsed Laser Deposition of Metals and Metal Oxides / A. Dikovska, G. Atanasova, T. Dilova et al. // Materials. – 2023. – V. 16. – I. 19. – Art. № 6364. – 14 p. DOI: 10.3390/ma16196364.
2. Pedarnig, J.D. Ultrashort and short-pulse laser ablation for chemical element analysis and thin film deposition of complex materials / J.D. Pedarnig, S. Keppert, N. Giannakaris et al. // Proceedings SPIE High-Power Laser Ablation VIII. – 2024. – V. 12939. – P. 1293907-1-1293907-5. DOI: 10.1117/12.3010133.
3. Mohammed, F.K. Characteristics of aluminium nitride thin film prepared by pulse laser deposition with varying laser pulses / F.K. Mohammed, A. Ramizy, N.M. Ahmed et al. // Optical Materials. – 2024. – V. 153. – Art. № 115622. – 8 p. DOI: 10.1016/j.optmat.2024.115622.
4. Khartsev, S. Electrical and optical properties of a Cu2O/β-Ga2O3 pn-junction / S. Khartsev, A. Sarakovskis, L. Grinberga et al. // Physica Status Solidi (а). – 2024. – V. 221. – I. 10. – Art. № 2300958. – 7 p. DOI: 10.1002/pssa.202300958.
5. Salaün, M. Growth and characterization of rubidium titanyl phosphate thin films by pulsed laser deposition / M. Salaün, A. Thiam, S. Kodjikian et al. // Materialia. – 2024. – V. 34. – Art. № 102068. – 8 p. DOI: 10.1016/j.mtla.2024.102068.
6. Pashchenko, A.S. Epitaxial growth of GaInAsBi thin films on Si (001) substrate using pulsed laser deposition / A.S. Pashchenko, O.V. Devitsky, M.L. Lunina et al. // Vacuum. – 2024. – V. 227. – Art. № 113372. – 9 p. DOI: 10.1016/j.vacuum.2024.113372.
7. Девицкий, О.В. Исследование состава пленок GaAs1-yBiy, полученных методом импульсного лазерного напыления / О.В. Девицкий, А.А. Кравцов, И.А. Сысоев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. - С. 96-105. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.096.
8. Pashchenko, A.S. Growth of nanotextured thin films of GaInAsP and GaInAsSbBi solid solutions on GaP substrates by pulsed laser deposition / A.S. Pashchenko, O.V. Devitsky, L.S. Lunin et al. // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. – 2023. – V. 14. – I. 5. – P. 601-605. DOI: 10.17586/2220-8054-2023-14-5-601-605.
9. Salih, E.Y. Fabrication of CdSe/Si nanostructure for self-powered visible light photodetector / E. Yahya Salih // Materials Letters. – 2024. – V. 371. – Art. № 136930. – 4 p. DOI: 10.1016/j.matlet.2024.136930.
10. Zhang, J.-Y. Unveiling the growth mechanism of FeSeTe films by pulsed laser deposition technique / J.-Y. Zhang, Y.-X. He, T. He et al. // Superconductor Science and Technology. – 2024. V. 37. – I. 5. – Art. № 055007. – 7. DOI: 10.1088/1361-6668/ad3c9b.
11. Wu, X. Effect of laser energy density on microstructure and critical current of YGBCO and HGBCO films fabricated by PLD / X. Wu // Physica C: Superconductivity and Its Applications. – 2024. – V. 623. – Art. № 1354547. – 8 p DOI: 10.1016/j.physc.2024.1354547.
12. Raman, T.S.A. Influence of oxygen pressure during deposition on the microwave dielectric tunability of Ba0.5Sr0.5TiO3 thin films in PLD process / T.S. Akhil Raman, B. Arun, C. Shivakumar et al. // Applied Surface Science. – 2024. – Art. № 160477. – 9 p. DOI: 10.1016/j.apsusc.2024.160477.
13. Park, J.M. Characterization of polycrystalline BiFeO3 films prepared by magnetic-field-assisted 90° off-axis pulsed laser deposition / J.M. Park, M. Okuyama // Japanese Journal of Applied Physics. – 2024. – V. 63 – I. 6. – Art. № 065502. – 7 p. DOI: 10.35848/1347-4065/ad4ccb.
14. Fischer, D. The effect of molecular weight and deposition temperature on the formation of poly(ethylene oxide) films using the femtosecond pulsed laser deposition / D. Fischer // Polymer Crystallization. – 2020. – V. 3. – I. 5. – Art. № e1015. – 15 p. DOI: 10.1002/pcr2.10153.
15. Lin, C.H. Control of self-organization of drop-casted Nafion film for improving proton conduction in a polymer-electrolyte-membrane fuel cell to raise its output power density / C.H. Lin, H.H. Chen, K.Y. Zhan et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – V. 48. – I. 68. – P. 26609-26618. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.11.031.
16. Caricato, A.P. MAPLE and MALDI: Theory and experiments / A.P. Caricato // In book: Lasers in Materials Science. Springer Series in Materials Science. – 2014. – V. 191. – P. 295-323. DOI: 10.1007/978-3-319-02898-9_12.
17. Mustofa, S. Formation of droplets on thin film surface in pulsed laser deposition using metal targets / S. Mustofa, S. Tsuyuguchi, T. Araki et al. // Quarterly Journal of the Japan Welding Society. – 2003. – V. 21. – I. 3. – 338-343. DOI: 10.2207/qjjws.21.338.
18. Девицкий, О.В. Структура и состав тонких пленок GaAs1-x-yNxBiy, полученных методом импульсного лазерного напыления / О.В. Девицкий // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 593-601. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.593.
19. Chen, Y.S. Indium droplet formation in InGaN thin films with single and double heterojunctions prepared by MOCVD / Y.S. Chen, C.H. Liao, C.T. Kuo et al. // Nanoscale Research Letters. – 2014. – V. 9. – I. 1. – Art. № 334. – 12 p. DOI: 10.1186/1556-276X-9-334.
20. Lunin, L.S. Ion-beam deposition of thin AlN films on Al2O3 substrate / L.S. Lunin, O.V. Devitskii, I.A. Sysoev et al. // Technical Physics Letters. – 2019. – V. 45. – I. 12. – P. 1237-1240. DOI: 10.1134/S106378501912023X.
21. Ptak, A.J. Kinetically limited growth of GaAsBi by molecular-beam epitaxy / A.J. Ptak, R. France, D.A. Beaton et al. // Journal of Crystal Growth. – 2012. – V. 338. – I. 1. – P. 107-110. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2011.10.040.
22. Koski, K. Surface defects and arc generation in reactive magnetron sputtering of aluminium oxide thin films / K. Koski, J. Hölsä, P. Juliet // Surface and Coatings Technology. – 1999. – V. 115. – I. 2-3. – P. 163-171. DOI: 10.1016/S0257-8972(99)00172-3.
23. Yoshitake, T. Elimination of droplets using a vane velocity filter for pulsed laser ablation of FeSi2 / T. Yoshitake, G. Shiraishi, K. Nagayama // Applied Surface Science. – 2002. – V. 197-198. – P. 379-383. DOI: 10.1016/S0169-4332(02)00344-6.
24. Harris, S.B. Deep learning with plasma plume image sequences for anomaly detection and prediction of growth kinetics during pulsed laser deposition / S.B. Harris, C.M. Rouleau, K. Xiao et al. // npj Computational Materials. – 2024. – V. 10. – Art. №. 105. – 8 p. DOI: 10.1038/s41524-024-01275-w.
25. Неволин, В.Н. Особенности импульсного лазерного осаждения тонкопленочных покрытий с применением противокапельного экрана / В.Н. Неволин, В.Ю. Фоминский, А.Г. Гнедовец, Р.И. Романов // Журнал технической физики. – 2009. – Том. 11. – Вып. 11. - С. 120-127.
26. Lackner, J.M. Pulsed laser deposition: a new technique for deposition of amorphous SiOx thin films / J.M. Lackner, W. Waldhauser, R. Ebner et al. // Surface and Coatings Technology. – 2003. – V. 163-164. – P. 300-305. DOI: 10.1016/S0257-8972(02)00612-6.
27. György, E. Deposition of particulate-free thin films by two synchronised laser sources: Effects of ambient gas pressure and laser fluence / E. György, I.N. Mihailescu, M. Kompitsas et al. // Thin Solid Films. – 2004. – V. 446. – I. 2. – P. 178-183. DOI: 10.1016/j.tsf.2003.09.071.
28. Prentice, J.J. Particulate reduction in PLD-grown crystalline films via bi-directional target irradiation / J.J. Prentice, J.A. Grant-Jacob, S.V. Kurilchik et al. // Applied Physics A: Materials Science and Processing. – 2019. – V. 125. – I. 2. – Art. № 152. – 8 p. DOI: 10.1007/s00339-019-2456-5.
29. Yimam, D.T. Pulsed laser deposited stoichiometric GaSb films for optoelectronic and phase change memory applications / D.T. Yimam, H. Zhang, J. Momand, B.J. Kooi // Materials Science in Semiconductor Processing. – 2021. – V. 133. – Art. № 105965. – 9 p. DOI: 10.1016/j.mssp.2021.105965.
30. Grant-Jacob, J.A. Particulate reduction in ternary-compound film growth via pulsed laser deposition from segmented binary-targets / J.A. Grant-Jacob, J.J. Prentice, S.J. Beeche. // Materials Research Express. – V. 5. – № 3. – Art. № 036402. – 8 p. DOI: 10.1088/2053-1591/aab0ef.
31. Van de Riet, E. A new method for the reduction of droplet deposition onto laser deposited thin metal films / E. Van de Riet, U.K.P. Biermann, J. Dieleman // Thin Solid Films. – 1994. – V. 241. – I. 1-2. – P. 134-137. DOI: 10.1016/0040-6090(94)90413-8.
32. Szörényi, T. Number density and size distribution of droplets in KrF excimer laser deposited boron carbide films / T. Szörényi, R. Stuck, F. Antoni // Applied Surface Science. – 2005. – V. 247. – I. 1-4. – P. 45-50. DOI: 10.1016/j.apsusc.2005.01.092.
33. Pashchenko, A.S. Structure and morphology of GaInAsP solid solutions on GaAs substrates grown by pulsed laser deposition / A.S. Pashchenko, O.V. Devitsky, L.S. Lunin et al. // Thin Solid Films. – 2022. – V. 743. – Art. № 139064. – 8 p. DOI: 10.1016/J.TSF.2021.139064.